JPH0666589B2 - 可同調導波管発振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気的及び機械的手段を有し動作特性を変更し
得る導波管発振器に関するものである。

この種発振器はマイクロウエーブ技術に広く用いられて
いる。その代表的な発振器はその動作周波数を粗調整す
る機械的手段と、動作周波数の微調整及び／又は周波数
変調を行う同調パラクタとを具えている。

機械的同調及び電子同調を行う発振器はIEEEトランザク
シヨンズ オン マイクロウエーブ セオリ アンド
テクニックス、第MTT−22巻第５号（1974年５月）、第5
54乃至556頁に発表されたエイ・エス・テンプリン及び
アール・エル・ガンシヨアの論文「アナリテイツク モ
デル フオー バラクタチユーンドウエブガイド ガン
オシレータ」に記載されている。この論文には、互い
導波管に沿つて離間され且つ導波管の一端で可動短絡回
路終端部からも離間され、更に個別の装着支柱により導
波管に夫々結合されたガンダイオード及びバラクタダイ
オードを有する完全な高さのＸバンド導波管を各々が具
える２個の発振器構体に対し２つの異なる理論モデルを
用いて行つた計算及び実験データの結果が発表されてい
る。一方の発振器構体（ケース１）ではガンダイオード
を長手方向にバラクタダイオードと短絡回路との間に介
在させており、他方の発振器構体（ケース２）ではその
逆の配置としている。何れの場合にもバラクタダイオー
ドのバイアス変化により動作し得る電子同調のレンジは
短絡回路の位置に依存する。発振器の中心周波数がガン
ダイオード装着支柱及び短絡回路間のスペーシングによ
り主として決まるガンダイオードがバラクタダイオード
よりも短絡回路に近いケース１においては、発振器の機
械的同調レンジは極めて広い（8.5〜12.0GHz）が、その
電子同調レンジは短絡回路の設定に臨界的に依存し、極
めて狭い（10MHz以下）。発振器の中心周波数がガンダ
イオード装着支柱及びバラクタダイオード装着支柱間の
スペースにより主として決まるバラクタダイオードがガ
ンダイオードよりも短絡回路に近いケース２においては
発振器の電子同調レンジは零から50−70MHzのほぼ最大
値まで通常のように短絡回路の設定と共に変化するがそ
の機械的同調レンジはケース１の場合よりも著しく狭
い。

本発明の目的は上述した欠点を除去し得るように適切に
構成配置した可同調導波管発振器を提供せんとするにあ
る。

本発明可同調導波管発振器は、一端に終端部を有する方
形導波管の細長部分と、該導波管細長部分に沿つて一端
から離間されている負性抵抗発振装置と、バラクタダイ
オードを有し導波管の前記発振装置及び終端部間の細長
領域で導波管内に電気的な可変リアクタンスを生ぜしめ
る手段と、発振器動作周波数で導波管の波長に関する有
効電気スペーシングを前記発振装置及び前記細長領域間
で機械的に変更する手段とを具え、動作時に前記スペー
シングを半波長のほぼ整数倍とし、導波管の幅広壁に直
角に前記細長領域で導波管の高さの一部分のみに亘り前
記可変リアクタンス手段を導波管内に延在させるように
したことを特徴とする。

本発明は以下の事実を基として成したものである。

（ａ） バラクタダイオードは導波管に適宜結合して、
終端部から可変リアクタンス手段よりも更に遠方に位置
する発振装置によっても終端部を“見”得るようにし、
これによりバラクタダイオードの同調を行わない際の発
振器の動作周波数を、発振装置とバラクタダイオードが
導波管に結合される領域との間のスペースによって主と
して決める必要がなくなるようにする。

（ｂ） バラクタダイオードが導波管に結合される領域
と発振装置との間の有効電気スペーシングを厳密に半波
長の整数倍とする必要がある。一般に発振器の空胴はで
きるだけ短かくして上記整数倍を通常１に等しくする必
要がある。この有効電気スペーシングの値が半波長の精
密な整数値である場合には、可変リアクタンス手段は導
波管の電磁界の最小値の個所に位置し、従つて動作周波
数には殆んど影響を与えない。有効電気スペーシングを
この値から機械的に徐々に変更するにつれてバラクタダ
イオードは電磁界に徐々に強く結合し従つて電子同調レ
ンジが徐々に増大する。

上記終端部及び前記有効電気スペーシングは上記一端に
可動短絡回路を具えるのが好適である。一般に発振装置
及び短絡回路間の有効電気スペーシングは動作周波数で
半波長の整数倍（２以上）である。この条件は、短絡回
路の位置を変化させ、これにより動作周波数を変更し、
従つて動作周波数における波長に関する前記領域及び発
振装置間の有効電気スペーシング、かくしてバラクタダ
イオード及び電磁界間の結合度従つて電子同調レンジを
変化させることによつて保持する。これがため電子同調
レンジ及び動作周波数は相互に関連する。

前記バラクタダイオードは導波管内にその一方の幅広壁
から延在させ、前記可変リアクタンス手段は前記バラク
タダイオードの前記一方の幅広壁とは反対側の端子への
導電接続を行うと共に導波管に直角に該端子から導波管
の幅狭壁の少くとも一方まで延在する部材を具えるよう
にする。

前記導電接続部材は導波管の幅広壁にほぼ平行にそのほ
ぼ中央を延在させるようにするのが好適である。導電接
続部材は導波管において基本モード（TE₁₀）に結合しな
いようにし、導波管の幅全体に亘り、特に幅狭壁間の中
央において、上記領域における導波管の高さの部分が妨
害を行なわないようにする。

バラクタダイオードをバイアスするためには導電接続部
材を、導波管の少くとも一方の幅狭壁に電気的に無線周
波結合すると共にこの幅狭壁から電気的に直流分離し得
るようにする。バラクタダイオードの他方の端子は導波
管の例えば一方の幅広壁に導電接続する。或いは又、導
電接続部材を幅狭壁から直流分離する必要はなく、その
代りにバラクタダイオードの他端を導波管に無線周波結
合すると共に導波管から直流分離することができる。バ
ラクタダイオードを超階段接合型同調バラクタダイオー
ドとする場合には、既知の構成のバラクタダイオード同
調導波管発振器においてもバラクタダイオードの容量変
化の最大動作可能レンジの少くとも大部分に亘つてバラ
クタダイオードの両端間の直流電圧によつて動作周波数
をほぼ直線的に変化させることができる。本発明可同調
導波管発振器によれば階段接合型の同調バラクタダイオ
ードによつてかかる周波数／電圧特性を得ることができ
る。。

本発明の好適な例では前記細長領においてほぼ導波管の
細長部分から分岐された導波管スタブブを具え、該スタ
ブはそのリアクタンスを導波管の細長部分に対して変化
させる手段を具えようにする。この場合には電子同調レ
ンジの範囲には僅かに影響を与えるだけで動作周波数を
変化させることができる。スタブのインピーダンスは導
波管に直列に有効となるようにするのが好適である。ス
タブによるリアクタンスを変化させるためにはスタブを
可動短絡回路により終端させるようにする。これがため
電子同調レンジは導波管の主部分の短絡回路終端部の位
置によつて設定することができ、且つ動作周波数は電子
同調レンジに著しく影響を与えることなく、スタブの短
絡回路終端部の位置によつて設定することができる。。
バラクタダイオードが導波管内にその一方の幅広壁から
延在する場合にはスタブとこれに対向する他方の幅広壁
から分岐するのが好適である。

図面につき本発明の実施例を説明する。

第１及び２図に示す本発明可同調導波管発振器は方形導
波管１の細長部分を具え、その一端の標準形の導波管非
接触可動短絡回路２により終端させるようにする。短絡
回路２は、導波管の長手方向軸線を中心に回転対称とす
ると共に長手方向に順次に発振器の動作周波数レンジに
おいて各々がほぼ1/4波長の長さを有する交互に大径及
び小径の３個の区分と、導波管ハウジングの端板３にあ
けたねじ孔に螺合するねじ付端区分とをを具える。この
短絡回路２は止めナツト（図示せず）により適正位置に
固着することができる。

導波管１に沿つて互に且つ短絡回路２から離間して導波
管の幅狭壁部間の中央にガンダイオード４及びバラクタ
ダイオード５を設ける。ガンダイオード４は円筒プラグ
６に装着し、この円筒プラグ６は導波管ハウジングの下
側幅広壁部を貫通する孔に適当な固着手段（図示せず）
により嵌着する。ガンダイオード４の下端部は装置のヒ
ートシンクをも構成する円筒プラグ６に螺着すると共に
導波管ハウジングにも導電接続する。ガンダイオード４
の上端部には導波管ハウジングから直流分離されている
導電支柱７を設ける。この導電支柱７は導波管ハウジン
グにあけた孔内に装着する。この孔は、発振器の動作周
波数レンジのほぼ1/4波長の距離に亘つて導波管の上側
幅広壁部に延在する第１の小径部分と、これから更に幅
広壁部に延在する第２の大径部分とから構成する。導電
支柱７は上記第２の大径孔部分に嵌合されるマイクロ波
吸収材料のブツシユ８で支持すると共にこれから上記第
１の小径孔部分を間隙を有して貫通し導波管内に突出す
る。

バラクタダイオード５は、導波管ハウジングの上側幅広
壁部を貫通する孔内に適当な手段（図示せず）で固着さ
れた円筒プラグ９と、導波管の長手方向軸線に対し直角
に且つ導波管の幅広壁部に平行に延在する円形断面の棒
10との間に、本例ではその中央に配置する。バラクタダ
イオード５は棒10の凹部に適宜配置して円筒プラグ９の
下端面が導波管の上側幅広壁部と同一平面となるように
する。棒10の両端を導波管ハウジング内に支持する。即
ち、棒10をアルミニウムで造りその導波管ハウジングと
係合する表面部分を陽極酸化処理して棒10がハウジング
に対し直流分離且つ無線周波結合されるようにする。こ
れがためバラクタダイオード５の下端に棒10を経て直流
バイアス電圧を供給することができる。その理由はバラ
クタダイオード５の上端が円筒プラグ９を経て導波管ハ
ウジングに導波接続されているからである。

バラクタダイオードを導波管に結合するかかる配置は上
述した既知の発振器に用いられているような従来の支柱
配置に対し導波管の高さの１部分のみに延在し、しかも
バラクタダイオードを導波管の幅狭壁部間の中央に位置
させて短絡回路の好適な位置で電子同調レンジを最大と
することができる。これがため短絡回路を調整すること
により、バラクタダイオードがガンダイオード及び短絡
回路間に位置する（ケース２）上述した既知の発振器の
場合よりも著しく大きく動作周波数に影響を与えること
ができ、従つて以下説明するように広い帯域に亘つて電
子同調レンジの範囲を調整することができる。

本例では、ガンダイオード４及びバラクタダイオード５
の相互離間間隔及びバラクタダイオード５及び短絡回路
２間の離間間隔を、発振器の動作周波数レンジでほぼ1/
2波長とし、従つて1/2波長のほぼ整数倍（１以上）とす
る必要のあるガンダイオード４及び短絡回路２間の離間
間隔をこの場合１波長とする。短絡回路を適宜設定して
バラクタダイオードの有効電気位置をガンダイオード及
び短絡回路間の中央に位置させる場合にはバラクタダイ
オードは電磁界の最小の位置にあり且つガンダイオード
及び短絡回路によ画成される共振空胴へのバラクタダイ
オードの結合が最小となりその結果電子同調レンジが最
小となる。短絡回路を動かすにつれて動作周波数も著し
く変化する。その理由はガンダイオードが短絡回路終端
部を“観視”し得るからである。。又、短絡回路の移動
によりバラクタダイオード及びガンダイオード間の有効
電気スペーシングも動作周波数で1/2波長から徐々に変
化し従つてバラクタダイオードは共振空胴内で電磁界に
増大結合し、且つ電子同調レンジがこれに従つて増大す
る。

バラクタダイオードのための上記バイアス装置に対する
代案として、棒10を導波管ハウジングに導電接続し、そ
の代りプラグ９を、例えば薄い絶縁層により、直流に対
してはハウジングから絶縁しかつ無線周波に対してはハ
ウジングに結合するようにすることができる。

棒10はバラクタダイオードから導波管の各幅狭壁部まで
延設する必要はなく、導波管の一方の幅狭壁部まで延設
すれば足りる。これは、バラクタダイオードを他方の幅
狭壁部に比べ一方の幅狭壁部に一層近く配設する（最大
の電子同調レンジを得る必要がない）場合特に好適であ
り、この場合棒は導波管内を一方の幅狭壁部だけからバ
ラクタダイオードまで延設すればよい。

発振器には、可動短絡回路に加えて又は可動短絡回路に
代えて、導波管における１個又は複数個の誘電体同調ね
じ及び／又は同調スタブ（これは可動短絡回路と共に高
さ低減Ｅ面スタブとすることができる）を設けて、発振
器の動作周波数従つて発振装置からの可変リアクタンス
の有効電気的スペーシングを、動作周波数における波長
につき変化するようにすることができる。このスペーシ
ングは２分の１波長の２以上の整数倍にほぼ等しくする
ことができ、例えば、ほぼ１波長とすることができ、こ
のようにすることができるのは、例えば、上記付加的又
は代替同調装置を設けることが所望され、かつ種々の部
品を動作周波数レンジ（特に高い周波数）における波長
につき互に充分近づけて収納することが物理的に難かし
い場合がある。

上述したように、バラクタダイオードを導波管の幅狭壁
部間の中央位置に配置することは必須事項ではない。バ
ラクタダイオードを上記中央位置からずらして配置した
場合には、電子同調レンジが、バラクタダイオードを上
記中央位置に配置した場合より小さくなるが；最大電子
同調レンジを得る必要はなく、その代り同調レンジの範
囲の感度を短絡回路終端部の位置の調整に変換すること
が所望される場合にはバラクタダイオードを上記の如く
ずらせて配置するのが好適であり、この場合特定の電子
同調レンジを短絡回路により容易に又は正確に設定する
ことができる。

またバラクタダイオードは導波管の幅広壁部につき第１
及び２図につき上述した形態とは異なる形態に配置する
こともできる。例えば、バラクタダイオード全体を導波
管内で上側幅広壁部から離間し、バラクタダイオードの
下端端子を横方向部材に係合しかつ上側端子に対する接
触をこの上側端子から幅広上側壁部に延在する支柱によ
つて行うか、又はバラクタダイオードを部分的にのみ導
波管内に延設しかつ部分的に導波管ハウジング凹部に配
設することができる。他の代案として、バラクタダイオ
ード全体を導波管の外側に配設しかつ同軸線路構体を介
して導波管に結合し、同軸線路の外側導体を導波管ハウ
ジングで構成しかつバラクタダイオードの一方の端子に
接続し、一方、同軸線路の内側導体を他方端子に接続し
かつ導波管内を横方向部材へ延設する。

第１及び２図に示した実施例は、電子同調レンジを著し
く変化させないと動作周波数を著しく変更できないとい
う難点を有しており、これは特定の動作周波数につき正
確に規定された同調レンジを必要とする用途には望まし
くない。この難点は第３及び４図の実施例により軽減す
ることができる。この実施例は第１及び２図の実施例と
ほぼ同一要素を備えている（同一参照数字で示した如
く）が、更に、バラクタダイオードを結合した区域にお
いて主導波管１から分岐した導波管スタブ11を備えてお
り、このスタブは、本例では可動短絡回路２と同様な構
造の可動短絡回路12を介して導波管１に対し可変リアク
タンスを発生するよう作動することができる。本例のス
タブはＥ面スタブ即ち直列スタブであり、バラクタダイ
オードが延在する壁部とは反対側で、導波管の下側幅広
壁部から分岐する。

作動に当りスタブの短絡回路12の終端部を調整すること
により、動作周波数が変化する一方、電子同調レンジに
は殆んど影響を及ぼさない。従つて、まず、主導波管１
を終端する短絡回路２を介して電子同調レンジを設定
し、次いで、スタブ11を終端する短絡回路12を介して動
作周波数を設定することができる。先に述べた実施例に
おける如くこの実施例も、例えば、微同調を得るため、
短絡回路２に対する付加的又は代替同調装置を備えるこ
とができる。

スタブ11の機能は次の如くであると考えられる。このス
タブによりガン発振ダイオードの共振空胴の有効長さが
増大し、これにより動作周波数が低くなる。スタブを導
波管１においてバラクタダイオードと同一区域に配置す
ると、スタブによつてもたらされる共振空胴の有効長さ
の増大がガンダイオード及びバラクタダイオード間の導
波管１の部分、並にバラクタダイオード及び短絡回路２
間の導波管１の部分に対しほぼ等しく配分され、これに
より、共振空胴の有効電気長さ（この長さにより動作周
波数及び波長を制御）に対すガンダイオード及びバラク
タダイオード間の有効電気スペーシングの比は、スタブ
の短絡回路12の終端の位置を調整した如くほぼ一定に維
持され、従つて、バラクタダイオードが共振空胴従つて
電子同調レンジにおける電磁界に結合される範囲が殆ん
ど変化しない。

図面につき上述した実施例の具体例を26.5〜40.0GHz
（Ｑバンド）の周波数範囲内で作動させるため寸法WG22
（WR28）の導波管において構成した。マイクロウエーブ
・アソシエイツ（Micorwave Associates）社製のM208
容器におけるバラクタ形式MA46600J及びGaAs階段ｐ−ｎ
接合バラクタチツプを使用し、ガンダイオードマイクロ
・アソシエイツ社及びマラード（Mullard）社製の種々
のデバイスを使用した。そして、1GHz以上の電子同調レ
ンジを容易に得ることができること、及び周波数／バラ
クタバイアス電圧特性が、アブラプトバラクタと共に普
通に得られる曲率より著しく小さい曲率を呈することを
見出し（注意深く構成されたハイパーアブラント（hype
rabrupt）バラクタは通常、ほぼ線形特性を要求され
る）、ガンダイオードに対し適当な支柱に配設する構成
とした場合、電子同調レンジの少なくとも主要部分にわ
たりほぼ線形の特性を得ることができた。また、広い電
子同調レンジにわたり出力電力の変動を僅かにすること
もできた。通常の如く、出力電力及びＱ値は、代表的な
50〜150mWの範囲の出力電圧の場合、電子同調レンジが
増大するに従つて減少した。第５図は、バラクタダイオ
ード電圧Ｖに対する、出力周波数の実測変化Δｆ（実
線、目盛は左側）及び出力電圧の実測変化Δｐ（破線、
目盛は右側）のグラフの一例を示す。。バイアス電圧を
ゼロから25Vまで変化した際、周波数はほぼ1300MHzだけ
変化し、この変化は特に０〜15Vの範囲にわたりほぼ線
形であり、一方、出力電力の変化はほぼ1/2dBであつた
（図面では0dBレベルが54mW）。

横方向部材として1.3〜2.5mmの範囲における種々の直径
の棒を使用した場合、棒の直径が増大する程、バラクタ
バイアス電圧と共に周波数の変化率従つて得られ最大電
子同調レンジが減少することを見出した。

第３及び４図の実施例では、スタブの同調回路12を調整
すことにより、２〜3GHzの範囲にわたり発振器を機械的
に同調できることを見出した。

本発明の実施例における発振装置が比較的低電力の低抵
抗装置である場合には、発振装置に対する整合を改善す
るため、少なくとも発振装置の近傍における導波管の高
さをその全高から低減した高さにすることが所望され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の長手方向部分断面図、 第２図は第１図のII−II線上断面図、 第３図は本発明の第２実施例の長手方向部分断面図、 第４図は第３図のIV−IV線上断面図、 第５図は本発明の具体例における周波数及び出力電力の
変化をバラクタダイオード電圧に対して示した図であ
る。 １……方形導波管、２……短絡回路 ３……端板、４……ガンダイオード ５……バラクタダイオード 6,9……円筒プラグ、７……導電支柱 ８……ブツシユ、10……棒 11……導波管スタブ、12……可動短絡回路。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端に終端部（２）を有する方形導波管
   （１）の細長部分と、該導波管細長部分に沿って前記一
   端から離間されている負性抵抗発振装置（４）と、バラ
   クタダイオード（５）を有し、導波管の前記発振装置
   （４）及び終端部（２）間の細長領域で導波管（１）内
   に電気的な可変リアクタンスを生ぜしめる手段（5,9,1
   0）と、発振器動作周波数で導波管（１）の波長に関す
   る有効電気スペーシングを前記発振装置及び前記細長領
   域間で機械的に変更する手段（例えば２）とを具え、動
   作時に前記スペーシングを半波長のほぼ整数倍とするよ
   うにした可同調導波管発振器において、前記導波管
   （１）の幅広壁に直角に前記細長領域で導波管（１）の
   高さの一部分のみに亘り前記可変リアクタンス手段（5,
   9,10）を導波管内に延在させるようにしたことを特徴と
   する可同調導波管発振器。
2. 【請求項２】前記スペーシングを機械的に変更する手段
   は、前記一端に設けられた可動短絡回路（２）を具える
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の可同調導
   波管発振器。
3. 【請求項３】前記バラクタダイオード（５）は導波管
   （１）内にその一方の幅広壁から延在させ、前記可変リ
   アクタンス手段（5,9,10）は前記バラクタダイオード
   （５）の前記一方の幅広壁とは反対側の端子への導電接
   続を行うと共に導波管（１）に直角に該端子から導波管
   （１）の幅狭壁の少なくとも１方まで延在する部材（1
   0）を具えることを特徴とする特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載の可同調導波管発振器。
4. 【請求項４】前記導電接続部材（10）は導波管（１）の
   幅広壁にほぼ平行にそのほぼ中央に延在することを特徴
   とする特許請求の範囲第３項記載の可同調導波管発振
   器。
5. 【請求項５】前記導電接続部材（10）は、導波管の少な
   くとも一方の幅狭壁に電気的に無線周波数結合するとと
   もに該幅狭壁から電気的に直流分離するようにしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第３項又は第４項記載の可
   同調導波管発振器。
6. 【請求項６】バラクタダイオード（５）の両端間の直流
   電圧に対する動作周波数の変化を、バラクタダイオード
   （５）の容量変化の最大動作可能レンジの少なくとも大
   部分に亘ってほぼ直線性とし、バラクタダイオード
   （５）を階段接合型同調バラクタダイオードとしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第３項、第４項又は第５項
   記載の可同調導波管発振器。
7. 【請求項７】前記バラクタダイオード（５）は導波管
   （１）の幅狭壁間の中間に位置させるようにしたことを
   特徴とする特許請求の範囲第３項乃至第６項の何れかに
   記載の可同調導波管発振器。
8. 【請求項８】前記細長領域においてほぼ導波管（１）の
   細長部分から分岐された導波管スタブ（11）を具え、該
   スタブ（11）はそのリアクタンスを導波管（１）の細長
   部分に対して変化させる手段（12）を具えることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第７項の何れかに記
   載の可同調導波管発振器。
9. 【請求項９】前記スタブ（11）のリアクタンスを変化す
   る手段はスタブ（11）の可動短絡回路終端部（12）を具
   えることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の可同
   調導波管発振器。
10. 【請求項１０】スタブのインピーダンスを導波管（１）
    の細長部分に直列に有効となるようにしたことを特徴と
    する特許請求の範囲第８項又は第９項記載の可同調導波
    管発振器。
11. 【請求項１１】スタブ（11）を一方の幅広壁に対向する
    導波管（１）の他方の幅広壁から分岐するようにしたこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第10項記載の可同調導波
    管発振器。